暗能量仍然是一个谜，但强大的新型望远镜将揭开谜底。 在美国国家航空航天局（NASA）和欧洲航天局（ESA）的领导下，未来十年将最终揭示是什么在驱使宇宙分裂。

大约 138 亿年前，宇宙在一次被称为大爆炸的事件中迸发。 一瞬间，空间以难以想象的速度膨胀。 在最初的膨胀之后，引力占据了上风，逐渐减缓了膨胀的速度。 数十亿年来，宇宙似乎一直在向外膨胀。 但是，意想不到的事情发生了。

宇宙大爆炸发生大约 90 亿年后，宇宙的膨胀速度又开始加快，这与本应减缓膨胀速度的引力相悖。 科学家们意识到，某种未知的力量正在加速将空间推开。 他们将这一神秘现象命名为暗能量。

但究竟暗能量是什么呢？简短的回答是：我们不知道。 但我们知道的是，暗能量是真实存在的，它推动了宇宙的加速膨胀，而且它占万物存在的 68-70% 左右。

这张信息图概述了宇宙的历史。 资料来源：美国国家航空航天局

虽然暗能量直到 20 世纪 90 年代末才被发现，但了解宇宙膨胀的历程却开始得更早。 1912 年，美国天文学家亨丽埃塔-斯旺-利维特（Henrietta Swan Leavitt）在研究位于仙王座的造父变星时有了突破性的发现。

利维特发现，一颗仙王座恒星的亮度周期与它的实际光度，也就是它发出的光总量直接相关。 这一发现为天文学家们提供了一个有力的工具：通过测量造父变星的脉动周期，他们可以计算出它与地球的距离。

大约在同一历史时期，天文学家维斯托-斯莱弗使用他的望远镜的摄谱仪观测到了螺旋星系。摄谱仪是一种把光分成不同颜色的装置，就像三棱镜把光分成彩虹一样。 他利用当时相对较新的发明--摄谱仪来观察来自星系的不同波长、不同光谱线的光线。 通过他的观测，西尔弗成为第一位观测到遥远星系中星系远离我们的速度的天文学家，这种观测被称为红移。 这些观测结果被证明对未来的许多科学突破至关重要，包括暗能量的发现。

红移是一个术语，当天体远离我们时，这些天体发出的光线会拉长。 光的行为就像波一样，而红光的波长最长。 因此，来自远离我们的物体的光波长更长，延伸到电磁波的"红端"。

发现膨胀的宇宙

银河系红移的发现、造父变星的周期-光度关系以及测量恒星或星系距离的新发现，最终让天文学家观测到星系随着时间的推移离我们越来越远，这表明宇宙正在膨胀。 在随后的几年里，世界上不同的科学家开始将宇宙膨胀的碎片拼凑在一起。

1922 年，俄罗斯科学家兼数学家亚历山大-弗里德曼发表了一篇论文，详细阐述了宇宙历史的多种可能性。 这篇论文以阿尔伯特-爱因斯坦于 1917 年发表的广义相对论为基础，其中包括宇宙正在膨胀的可能性。

1927 年，比利时天文学家乔治-勒梅特（Georges Lemaître）发表了一篇论文，其中也包含了爱因斯坦广义相对论的内容。 爱因斯坦在他的理论中指出宇宙是静止的，而勒梅特则指出爱因斯坦理论中的方程实际上支持宇宙并非静止而是在膨胀的观点。

1929 年，天文学家埃德温-哈勃（Edwin Hubble）通过他的助手、天文学家米尔顿-胡马森（Milton Humason）的观测证实了宇宙正在膨胀。 胡马森测量了螺旋星系的红移。 随后，哈勃和胡马森研究了这些星系中的恒星，利用这些恒星来确定星系（或他们称之为星云）的距离。 他们将这些星系的距离与它们的红移进行了比较，并追踪到天体距离越远，红移越大，远离我们的速度越快。 他们发现，星系等天体离地球越远，移动速度越快，每秒可达数十万英里--这一观测结果现在被称为哈勃定律，或哈勃-勒梅特定律。 他们证实，宇宙确实在膨胀。

这张合成图展示了迄今为止星系团之间最复杂、最戏剧性的碰撞。 这个星系被正式命名为 Abell 2744，因为发现了各种各样不同的结构，所以被称为潘多拉星系团。 钱德拉（红色）数据显示气体温度高达数百万度。 蓝色是根据哈勃太空望远镜、甚大望远镜（VLT）和斯巴鲁望远镜的数据绘制的总质量浓度图（主要是暗物质）。 哈勃太空望远镜和甚大望远镜的光学数据还显示了星系团的组成星系。 天文学家认为至少有四个来自不同方向的星系团参与了这次碰撞。 资料来源：X射线： NASA/CXC/ITA/INAF/J.Merten et al， Lensing： NASA/STSCI；NAOJ/Subaru；ESO/VLT，光学：NASA/STSCI/R.Dupke

超新星显示宇宙膨胀正在加速

科学家们以前认为，宇宙的膨胀很可能会随着时间的推移而被引力减缓，爱因斯坦的广义相对论支持这一预期。 但在1998年，当两个不同的天文学家小组在观测遥远的超新星时发现（在一定的红移下，恒星爆炸的亮度比预期的要暗淡，一切都改变了。 这些研究小组由天文学家亚当-里斯（Adam Riess）、索尔-珀尔马特（Saul Perlmutter）和布莱恩-施密特（Brian Schmidt）领导。 这三人因此获得了 2011 年诺贝尔物理学奖。

虽然暗淡的超新星看起来并不像一个重大发现，但这些天文学家正在观测1a型超新星，众所周知，1a型超新星具有一定的光度。 因此他们知道，一定还有其他因素使这些天体看起来更暗。 科学家可以通过天体的亮度来确定距离（和速度），而较暗的天体通常距离较远（尽管周围的尘埃和其他因素也会导致天体变暗）。

这让科学家们得出结论，这些超新星的距离比他们通过观察其红移所预期的要远得多。

利用天体的亮度，研究人员确定了这些超新星的距离。 利用光谱，他们还能计算出这些天体的红移，从而推算出它们远离我们的速度。 他们发现超新星并不像预期的那样接近，这意味着它们远离我们的速度比预想的要快。 这些观测结果让科学家们最终得出结论：宇宙本身一定在以更快的速度膨胀。

虽然人们已经探索了这些观测结果的其他可能解释，但近年来研究更遥远的超新星或其他宇宙现象的天文学家继续收集证据，并为宇宙随时间膨胀得更快这一观点提供支持，这一现象现在被称为宇宙加速；

但是，当科学家们建立起宇宙加速的证据时，他们也提出了疑问： 为什么？ 是什么促使宇宙随着时间的推移加速延伸？

究竟暗能量是什么？

现在，暗能量只是天文学家对导致宇宙加速膨胀的神秘"东西"的称呼。

有人将暗能量描述为一种负压，它将空间向外推。 然而，我们并不知道暗能量是否具有任何类型的力的作用。 关于暗能量可能是什么，有很多说法。 以下是暗能量的四种主要解释。 请记住，它有可能完全是另一种东西。

一些科学家认为，暗能量是太空中一种基本的、无处不在的背景能量，被称为真空能，它可能等同于宇宙常数，这是爱因斯坦广义相对论方程中的一个数学术语。 最初，宇宙常数的存在是为了抵消万有引力，从而形成一个静态的宇宙。 但当哈勃证实宇宙实际上在膨胀时，爱因斯坦删除了这个常数，物理学家乔治-加莫称这是"我最大的失误"。

但是，当人们后来发现宇宙膨胀实际上在加速时，一些科学家提出，先前被否定的宇宙学常数实际上可能存在一个非零值。 他们认为，这种额外的力量是加速宇宙膨胀所必需的。 理论上，这种神秘的成分可以归因于一种叫做"真空能"的东西，它是一种渗透到整个空间的理论背景能量。

空间从来不是完全空的。 根据量子场论，宇宙中存在虚拟粒子，即粒子对和反粒子对。 人们认为，这些虚拟粒子在宇宙中一出现就会相互抵消，而这种忽隐忽现的现象可能是由充满宇宙并向外推动空间的"真空能"造成的。

虽然这一理论一直是人们讨论的热门话题，但研究这一方案的科学家已经计算出了理论上太空中应该有多少真空能。 结果表明，要么存在大量的真空能，以至于在宇宙诞生之初，宇宙会以极快的速度和巨大的力量向外膨胀，以至于不可能形成恒星或星系；要么......绝对不存在真空能。 这意味着，宇宙中的真空能量一定比这些预测中的要小得多。 然而，这一差异至今仍未解决，甚至被称为"宇宙常数问题"。

一些科学家认为，暗能量可能是一种充满空间的能量流体或能量场，其行为方式与正常物质相反，其数量和分布在时间和空间上都会发生变化。 这种假设的暗能量被昵称为"五元素"（quintessence），源自古希腊哲学家讨论的理论上的第五元素。

一些科学家甚至认为，五色石可能是暗能量和暗物质的某种组合，尽管这两者目前被认为是完全独立的。 虽然两者都是科学家们的一大谜团，但暗物质被认为占宇宙中所有物质的 85%。

一些科学家认为，暗能量可能是宇宙本身结构中的一种缺陷；这种缺陷就像宇宙弦一样，是一种假想的一维"皱纹"，被认为是在宇宙早期形成的；

一些科学家认为，暗能量并不是我们能够发现的物理现象。 相反，他们认为广义相对论和爱因斯坦的万有引力理论可能存在问题，以及它在可观测宇宙范围内的工作原理。 在这种解释中，科学家们认为有可能修改我们对万有引力的理解，从而在不需要暗能量的情况下解释对宇宙的观测。 爱因斯坦其实在 1919 年就提出了这样一个想法，叫做单模态引力，这是广义相对论的一个修正版本，如今科学家认为它不需要暗能量就能解释宇宙。

未来

暗能量是宇宙的一大谜团。 几十年来，科学家们一直在推测我们不断膨胀的宇宙。 现在，我们第一次拥有了足够强大的工具 来检验这些理论 并真正研究这个大问题："暗能量是什么？"

美国国家航空航天局（NASA）在欧空局（European Space Agency）的Euclid （欧几里得，2023 年发射）任务中发挥着至关重要的作用。 该地图将包括对距离地球 100 亿光年的数十亿个星系的观测。

美国国家航空航天局的南希-格蕾丝罗曼太空望远镜将于2027年5月发射升空，旨在研究暗能量等许多科学课题，还将绘制三维暗物质地图。 罗曼望远镜的分辨率将与美国国家航空航天局的哈勃太空望远镜一样清晰，但视场要大100倍，从而能够捕捉到更广阔的宇宙图像。 这将使科学家们能够绘制出宇宙中物质的结构和分布情况，并探索暗能量的表现和随时间的变化。 罗曼还将进行一次额外的巡天观测，以探测 Ia 型超新星。

除了美国国家航空航天局的任务和努力之外，由包括美国国家科学基金会在内的大型合作机构支持的维拉-C-鲁宾天文台（目前正在智利建造）也准备好支持我们对暗能量的不断深入了解。 该地面天文台预计将于 2025 年投入使用。

在欧几里得、罗曼和鲁宾的共同努力下，宇宙学将迎来一个新的"黄金时代"，科学家们将收集到比以往任何时候都更加详细的有关暗能量巨大奥秘的信息。

此外，美国国家航空航天局（NASA）的詹姆斯-韦伯太空望远镜（2021年发射）是世界上最强大、最大的太空望远镜，其目标是为多个研究领域做出贡献，并将为暗能量研究做出贡献。

NASA的SPHEREx（宇宙历史、再电离纪元和冰层探索者分光光度计）任务计划于2025年2月27日发射，旨在研究宇宙的起源。 SPHEREx将用近红外线探测整个天空，其中包括4.5亿多个星系，科学家们希望SPHEREx收集到的数据能够帮助我们进一步了解暗能量。

美国国家航空航天局（NASA）还支持一个名为暗能量探索者的公民科学项目，该项目使世界上任何人，即使没有受过科学训练，也能帮助寻找暗能量的答案。

最后要说明的是，暗能量与暗物质并不相同。 它们的主要相似之处在于我们还不知道它们是什么。